CN103760016B - 一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具及实验方法，属于复合材料界面力学性能测试领域；通过微纳米拉伸仪上的夹头连接本发明的夹具，在上夹头移动的过程当中，带动本装置，能够与微滴状的基体接触，随着载荷的增大界面发生破坏，从而纤维从基体当中脱离出来，实现对复合材料界面力学性能的测试；通过本发明装置的微滴包埋测试的优势十分明显，具有精度高、实验重复效果好等特点。

Description

一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具及实验方法
技术领域
本发明涉及一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具及实验方法，属于复合材料界面力学性能测试领域。
背景技术
纤维增强复合材料凭借其轻重量，高比强，抗腐蚀性能好，良好的热学性能，在航空航天、汽车制造、建筑材料当中得到了广泛的应用。其中纤维增强复合材料通常由纤维相、基体相、界面相组合而成，其中对复合材料的作用至关重要，其承担了以下几种作用，（1）使得复合材料能够恶劣的环境正常的发挥性能，如对在温度、湿度以及受力的作用下能够进行抵抗。（2）使得纤维与基体成为一个完整的结构，其保证载荷在纤维与基体之间能够进行有效的进行传递。（3）提高复合材料的宏观力学性能，如抗疲劳性、韧性、强度等。其中微滴包埋实验是一种有效地测试纤维增强复合材料界面力学性能手段，其实验原理为，将一滴液体的基体材料滴到纤维上，通过固化作用，其形状由于受到液体状态树脂表面张力作用下，固化为水滴形状的基体材料，将纤维的一段距离包埋Le于液滴状的基体当中，其中纤维的直径df，将纤维与微滴状基体之间发生脱结合，记录下最大的脱粘载荷Fmax，根据假设应力沿着界面均匀分布理论,从而可以计算出界面的剪切强度，这是一种快速、简单、有效地方法来研究复合材料的界面结合强度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具及实验方法，通过微纳米拉伸仪上的夹头连接本发明的夹具，在上夹头移动的过程当中，带动本装置，能够与微滴状的基体接触，随着载荷的增大界面发生破坏，从而纤维从基体当中脱离出来，实现对复合材料界面力学性能的测试。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具，其中，该夹具包括主块体、副块体、钢薄片、紧固螺钉；主块体外表面为圆柱体结构，主块体一端为圆台，圆台顶部中央开有顶部螺钉孔，顶部螺钉孔用于连接微纳米拉伸仪；主块体的圆台底部与主块体另一端中间开有凹槽，凹槽两端为台阶且台阶上开有紧固螺钉孔；主块体的非圆台端开有底部凹槽；副块体的外表面形状可以为矩形柱或圆柱；副块体外表面一侧开有凹槽，与凹槽对称侧的两端开有紧固螺钉孔；紧固螺钉通过主块体与副块体的紧固螺钉孔将主块体与副块体连接；主块体与副块体的凹槽形成中间凹形腔；副块体与主块体非圆台端的凹槽接触处开有底部凹槽；主块体与副块体的底部凹槽形成底部凹形腔；钢薄片为中空结构，钢薄片的中空结构两侧连接有纤维；纤维一端的钢薄片上开有底部连接螺孔，钢薄片通过底部连接螺孔与外部夹头固定；微滴状基体置于纤维上并且可以沿纤维运动；所述中间凹形腔与底部凹形腔的表面需精磨、抛光。
实验装置的工作过程如下，
S1取出一段纤维，将纤维的两端通过粘结剂固定在钢薄片上，保证纤维与钢薄片的侧边相互平行；在纤维的表面滴入聚合物的基体，在高温下让聚合物在纤维的表面固化，形成微滴状基体。
S2将刚薄片的底部连接螺孔与微纳米拉伸仪的下夹头相连接，主块体通过顶部螺钉孔与微纳米拉伸仪的上夹头相连接，保证微滴状基体在中间凹形腔内。
S3将紧固螺钉分别拧入侧面的紧固螺钉孔中，从而将主块体与副块体连接成一个整体，为了保证纤维不会被发生碎断在这个过程当中要缓慢的拧入螺钉。
S4对微拉伸仪进行设置，上夹头带都动主块体与副块体组成的结构向上移动，微滴状基体沿纤维移动，在整个过程当中，仪器会记录位移-载荷的曲线，在纤维与微滴状基体相互分离时记录下最大脱粘载荷，从而计算界面的结合强度。
与传统复合材料界面测试方法如纤维压出测试相比，纤维压出测试需要对复合材料的样品进行特殊的研磨，这是一个非常费时的处理过程，同时纤维在制备过程中，并不是所有的纤维都是彼此平行的所以重复性不能保证，与单丝拉出测试相比，由于纤维通常比较细，所以会容易发生在拉出的过程当中，纤维断裂的现象，所以通过本发明装置的微滴包埋测试的优势十分明显，具有精度高(可以达到微米的精度)、实验重复效果好等特点。
附图说明
图1为本装置的结构示意图。
图2为主块体的剖面图。
图3为副块体的剖面图。
图4为钢薄片的剖面图。
图5碳纳米管纤维/PMMA脱粘曲线。
图6人体头发丝纤维/PVC脱粘曲线。
图中：1、主块体，2、副块体，3、钢薄片，4、紧固螺钉，5、顶部螺钉孔，6、紧固螺钉孔，7、中间凹形腔，8、底部凹形腔，9、纤维，10、微滴状基体，11、底部连接螺孔。
具体实施方式
如图1-4所示，一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具，其中，该夹具包括主块体1、副块体2、钢薄片3、紧固螺钉4；主块体1外表面为圆柱体结构，主块体1一端为圆台，圆台顶部中央开有顶部螺钉孔5，顶部螺钉孔5用于连接微纳米拉伸仪；主块体1的圆台底部与主块体1另一端中间开有凹槽，凹槽两端为台阶且台阶上开有紧固螺钉孔6；主块体1的非圆台端开有底部凹槽；副块体2的外表面形状可以为矩形柱或圆柱；副块体2外表面一侧开有凹槽，与凹槽对称侧的两端开有紧固螺钉孔6；紧固螺钉4通过主块体1与副块体2的紧固螺钉孔6将主块体1与副块体2连接；主块体1与副块体2的凹槽形成中间凹形腔7；副块体2与主块体1非圆台端的凹槽接触处开有底部凹槽；主块体1与副块体2的底部凹槽形成底部凹形腔8；钢薄片3为中空结构，钢薄片3的中空结构两侧连接有纤维9；纤维9一端的钢薄片3上开有底部连接螺孔11，钢薄片3通过底部连接螺孔11与外部夹头固定；微滴状基体10置于纤维9上并且可以沿纤维9运动；所述中间凹形腔7与底部凹形腔8的表面需精磨、抛光。
实验装置的工作过程如下，
S1取出一段纤维9，将纤维的两端通过粘结剂固定在钢薄片3上，保证纤维9与钢薄片3的侧边相互平行；在纤维的表面滴入聚合物的基体，在高温下让聚合物在纤维9的表面固化，形成微滴状基体10。
S2将刚薄片3的底部连接螺孔11与微纳米拉伸仪的下夹头相连接，主块体1通过顶部螺钉孔5与微纳米拉伸仪的上夹头相连接，保证微滴状基体10在中间凹形腔7内。
S3将紧固螺钉4分别拧入侧面的紧固螺钉孔6中，从而将主块体1与副块体2连接成一个整体，为了保证纤维不会被发生碎断在这个过程当中要缓慢的拧入螺钉。
S4对微拉伸仪进行设置，上夹头带都动主块体1与副块体2组成的结构向上移动，微滴状基体10沿纤维9移动，在整个过程当中，仪器会记录位移-载荷的曲线，在纤维9与微滴状基体10相互分离时记录下最大脱粘载荷，从而计算界面的结合强度。
实施例一
图5为通过本发明装置测得的碳纳米管纤维与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基体之间的脱粘曲线。首先从整段的碳纳米管纤维截取一段，将纤维贴在矩形薄钢片的中心位置，然后将PMMA基体用针管注射到纤维表面，然后再高温的环境下，使其固化，此刻纸样制备结束。然后将薄钢片连接到微纳米拉伸下夹头，主块体1与上夹头连接，通过紧固螺钉4将主块体1与副块体2连接成为一个整体，其中微滴位于底部凹形腔8的上方，微滴被容置于中间凹形腔7当中，对微纳米拉伸仪进行设置，随着上夹头的移动，底部凹形腔8与球形基体相互接触，其中底部凹形腔8的空隙距离为1毫米，通过光学显微镜测得球状微滴的直径为1.8毫米，从图1当中可以看出曲线在达到最大的脱粘力之后，载荷迅速下降，这是因为界面发生了破坏纤维与载荷分离，可以看到最大的脱粘力为300毫牛。
实施例二
图6为通过本发明装置测得的人体头发丝纤维与氯乙烯（PVC）基体之间的脱粘曲线。首先从整段的碳纳米管纤维截取一段，将纤维贴在矩形薄钢片的中心位置，然后将PVC基体用针管注射到头发纤维表面，然后再高温的环境下，使其固化，此刻纸样制备结束。然后将薄钢片连接到微纳米拉伸下夹头，主块体1与上夹头连接，通过紧固螺钉4将主块体1与副块体2连接成为一个整体，其中微滴位于底部凹形腔8的上方，微滴被容置于中间凹形腔7当中，对微纳米拉伸仪进行设置，随着上夹头的移动，底部凹形腔8与球形基体相互接触，其中底部凹形腔8的空隙距离为0.5毫米，通过光学显微镜测得球状微滴的直径为1.0毫米，从图1当中可以看出曲线在达到最大的脱粘力之后，载荷迅速下降，这是因为界面发生了破坏纤维与载荷分离，可以看到最大的脱粘力为200毫牛。

Claims (2)

1.一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具，其特征在于：该夹具包括主块体(1)、副块体(2)、钢薄片(3)、紧固螺钉(4)；主块体(1)外表面为圆柱体结构，主块体(1)一端为圆台，圆台顶部中央开有顶部螺钉孔(5)，顶部螺钉孔(5)用于连接微纳米拉伸仪；主块体(1)圆台底部与主块体(1)另一端之间开有第一凹槽，第一凹槽两端为台阶且台阶上开有第一紧固螺钉孔；主块体(1)的非圆台端开有第一底部凹槽；副块体(2)的外表面形状为矩形柱或圆柱；副块体(2)外表面一侧开有第二凹槽，与第二凹槽对称侧的两端开有第二紧固螺钉孔；紧固螺钉(4)通过主块体(1)与副块体(2)的两紧固螺钉孔将主块体(1)与副块体(2)连接；主块体(1)与副块体(2)的两凹槽形成中间凹形腔(7)；副块体(2)与主块体(1)非圆台端的两凹槽接触处开有第二底部凹槽；主块体(1)与副块体(2)的两底部凹槽形成底部凹形腔(8)；钢薄片(3)为中空结构，钢薄片(3)的中空结构两侧连接有纤维(9)；纤维(9)一端的钢薄片(3)上开有底部连接螺孔(11)，钢薄片(3)通过底部连接螺孔(11)与外部夹头固定；微滴状基体(10)置于纤维(9)上并且能够沿纤维(9)运动；所述中间凹形腔(7)与底部凹形腔(8)的表面需精磨、抛光。
2.根据权利要求1所述一种用于测试复合材料界面力学性能的夹具的实施过程，其特征在于：
S1取出一段纤维(9)，将纤维的两端通过粘结剂固定在钢薄片(3)上，保证纤维(9)与钢薄片(3)的侧边相互平行；在纤维的表面滴入聚合物的基体，在高温下让聚合物在纤维(9)的表面固化，形成微滴状基体(10)；
S2将刚薄片(3)的底部连接螺孔(11)与微纳米拉伸仪的下夹头相连接，主块体(1)通过顶部螺钉孔(5)与微纳米拉伸仪的上夹头相连接，保证微滴状基体(10)在中间凹形腔(7)内；
S3将紧固螺钉(4)分别拧入侧面的紧固螺钉孔中，从而将主块体(1)与副块体(2)连接成一个整体，为了保证纤维不会被发生碎断，在这个过程当中要缓慢的拧入螺钉；
S4对微纳米拉伸仪进行设置，上夹头带动主块体(1)与副块体(2)组成的结构向上移动，微滴状基体(10)沿纤维(9)移动，在整个过程当中，仪器会记录位移-载荷的曲线，在纤维(9)与微滴状基体(10)相互分离时记录下最大脱粘载荷，从而计算界面的结合强度。
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